CN102917647A - 对象的特定取向的确定 - Google Patents

Abstract

本发明涉及确定对象的特定取向。为了向用户提供对象的增强定位信息，提出了一种医学成像系统和一种操作医学成像系统的方法，其中，利用成像系统采集（12）对象的2D图像数据（14），其中，向对象提供在2D图像中可见的至少三个标记；并且其中（16），在所述2D图像中检测所述标记；并且其中，根据所述标记识别（18）所述对象相对于系统几何结构的空间定位和旋转角度（20）；并且其中，显示（22）对象指示符（24）以指示所述对象的空间定位和旋转角度。

Description

对象的特定取向的确定

技术领域

本发明涉及确定对象的特定取向。具体而言，本发明涉及一种医学成像系统和一种用于操作医学成像系统的方法以及一种用于控制医学成像系统的计算机程序单元，并且涉及存储有这种计算机程序单元的计算机可读介质。

背景技术

为了确定位于感兴趣区域中的对象的位置，医学成像系统向用户提供二维图像数据。从WO 2006/114721A2中，已知一种方法，其中，为工具提供了在由成像系统采集的图像中可见的标记（marker）。从图像中的标记方位信息，能够导出工具方位信息。但是两个标记不能提供任何旋转信息。

发明内容

作为另一缺点，标记不一定能够向用户给出关于对象的实际定位的直观信息。特别是对于不对称的对象，因此存在向用户提供关于适当的实际旋转的信息的需求。

本发明的目的是向用户提供对象的增强的定位信息。

本发明的目的由独立权利要求的主题实现的，其中，在从属权利要求中并入了进一步的实施例。

应当认识到，下文描述的本发明的各方面还应用于医学成像系统、方法、程序单元和计算机可读介质。

根据本发明的一方面，一种医学成像系统，包括图像采集器件、数据处理单元和显示器。所述采集器件适于采集对象的2D图像数据，其中，为所述对象提供在2D图像中可见的至少三个标记。数据处理单元适于在2D图像中检测所述标记并根据所述标记识别对象相对于系统几何结构的空间定位和旋转角度。显示器适于显示指示所述对象的空间定位和旋转角度的对象指示符（indicator）。

根据本发明的另一方面，提供一种用于操作医学成像系统的方法，包括如下步骤：a）利用成像系统采集对象的2D图像数据，其中，为所述对象提供在2D图像中可见的至少三个标记；b）在2D图像中检测所述标记；c）根据所述标记识别对象相对于系统几何结构的空间定位和旋转角度；以及d）显示指示所述对象的空间定位和旋转角度的对象指示符。

在本发明的上下文中，术语“旋转”涉及围绕对象的轴的旋转。术语“定位”或位置涉及空间中的方位，即三维方位或位置。

所述对象指示符向用户提供直观信息，即不需要用户的任何解码或空间想象步骤的信息，从而向用户提供直接信息，并且用户仅受到其他程序步骤的最小的干扰。因此，用户的专注力不会被进一步吸引，从而用户能够集中于其实际的任务，这例如对于医院中的外科医生而言会是有利的。

根据本发明的另一方面，3D图像与2D图像数据配准，并且所述对象指示符连同经配准的3D和2D图像的图像数据一起显示。

这提供了这样的优点，即，可以向用户提供所述对象相对于所述对象周围的感兴趣体积或感兴趣区域的空间定位信息。换言之，由所述3D图像信息在增强的空间环境中提供包括对象的定位和旋转信息两者的空间信息。

根据本发明的另一方面，在步骤a）之前，预先确定所述对象的期望空间定位和旋转角度，并计算所述标记的针对期望位置的配置。此外，在步骤a）中在2D图像的采集期间根据系统几何结构生成计算得到的标记配置的投影。此外，所生成的投影被显示为目标指示符。

这提供了这样的优点，即，所生成的投影提供关于对象的目标定位的可见信息。因此，向用户提供关于对象的实际位置与目标位置、或者索引或者设定位置之间的关系的信息。例如，在用户试图将所述对象移动至特定目的地或者移动至期望位置和旋转的情况下，通过提供关于实际位置和期望位置的可视信息，用户能够从所显示的图像推导空间变量变化量或差异，从而使用户能够简单地估计在将所述对象放置到期望位置处的过程中必要的进一步移动步骤。

可以将以下视为本发明的主旨：确定对象的空间定位和旋转角度，以及将这些信息以直观的方式提供给用户，从而使用户不受其他任务干扰，以及因此方便用户理解关于感兴趣对象的实际空间情况。

本发明的这些和其他方面将会通过参考下文描述的实施例变得显而易见并得以阐述。

附图说明

本发明的示范性的实施例将参考如下附图进行描述。

图1图示了根据本发明的示范性实施例的医学成像系统。

图2示意性图示了根据本发明的示范性实施例的用于操作医学成像系统的方法的基本步骤。

图3描述了根据本发明的另一示范性实施例的方法的步骤。

图4描述了根据本发明的另一示范性实施例的方法步骤。

图5描述了根据本发明的方法的另一示范性实施例。

图6描述了根据本发明的方法的另一示范性实施例。

图7描述了根据本发明的方法的另一示范性实施例。

图8描述了根据本发明的方法的另一示范性实施例。

图9描述了根据本发明的方法的另一示范性实施例。

图10描述了根据本发明的方法的另一示范性实施例。

图11示出了不对称对象的示范性实施例。

图12示出了根据本发明的示范性实施例的2D图像。

图13示出了根据本发明的另一示范性实施例的2D图像。

具体实施方式

在图1中，示出了医学成像系统100，该系统包括图像采集器件110，数据处理单元112和显示器114。采集器件110包括X射线源116和探测器布置118。此外，提供了工作台120，能够在工作台上布置感兴趣对象，例如患者122。对于由采集器件110进行的采集，工作台120上的患者122能够被布置在X射线源116与探测器布置118之间，从而使从所述X射线源向探测器布置118辐射的X射线124穿过患者122的感兴趣区域。

另外，示出了对象126，为所述对象提供了在由采集器件110采集的2D图像中可见的至少三个标记。必须注意的是，在图1中未示出所述标记。采集器件110适于采集对象的2D图像数据，所述对象例如是具有三个标记的对象126。在所示的示范性实施例中，所述标记是辐射不透明的，并且因此在X射线图像中是可见的。

采集器件110例如通过数据连接128连接至数据处理单元。于是，由探测器布置118提供的图像数据被提供给处理单元112。

数据处理单元112适于在2D图像中检测所述标记，并且适于根据所述标记识别所述对象相对于系统几何结构的空间定位和旋转角度，所述对象例如是具有所述标记的对象126。

换言之，在处理单元112中分析所述2D图像数据，并检测在所述2D图像中可见的标记并将其用于进一步计算所述对象的空间定位和旋转角度。

数据处理单元112通过数据连接113连接至显示器114。

当然，显示为有线连接的数据连接128和130也能够作为无线连接来提供。

显示器114适于显示指示所述对象的空间定位和旋转角度的对象指示符。所述对象指示符根据所识别的空间定位和旋转角度来计算。

如从图1中能够看出的，医学成像系统100被显示为CT系统，该CT系统具有机架132，在机架上X射线源116和探测器布置118能够围绕患者122旋转，由此也能够生成3D图像数据。

必须注意的是，所述医学成像系统还能够以另一种形式提供，例如作为所谓的C形臂系统，在C形臂系统上，探测器布置118和X射线源116被布置在C形臂的相对端，所述C形臂能够移动，例如围绕患者122旋转。

然而，当然也能够提供具有静态固定的图像采集器件的医学成像系统，即以不能移动的方式安装探测器布置118和X射线源116的图像采集器件。

根据另一示范性实施例，数据处理单元112还适于将3D图像与2D图像数据配准，所述3D图像例如由图像采集器件110采集。此外，显示器114适合将所述对象指示符连同经配准的2D和3D图像的图像数据一起显示。

根据本发明的另一示范性实施例，尽管未示出，所述图像采集器件借助超声采集2D图像数据。在这种情况下，为对象提供在超声图像数据中可视的至少三个标记，即，布置所述标记从而使超声以预先确定方式被反射。

根据另一示范性实施例，也未示出，上述图像采集原理，即X射线、超声或MR，能够相组合，例如在X射线成像系统中，其中2D图像数据通过X射线采集，并且所述标记在超声或MR中也是可见的。当然，任何其他组合也是可能的。

下面，参考图2描述了一种用于操作医学成像系统的方法的基本步骤，所述医学成像系统例如是根据图1的医学成像系统100。

在采集步骤12中，利用成像系统采集对象的2D图像数据。向所述对象提供在所述2D图像（图像数据参考标号14）中可视的至少三个标记。此外，在检测步骤16中，在所述2D图像中检测所述标记。之后，在识别步骤18中，根据所述标记相对于系统几何结构识别所述对象的空间定位和旋转角度20。

接下来，在显示步骤22中，显示对象指示符24以指示所述对象的空间定位和旋转角度，其中，对象指示符24是根据所识别的空间定位和旋转角度20来计算的。

根据另一示范性实施例，尽管未示出，对象指示符24为指示模型的扩展的中心轴的标志。另外，能够显示所述对象的外部端点和/或轮廓线。

根据另一示范性实施例，所述对象指示符是所述对象的模型的可视化。例如，所述对象指示符还能够是所述对象的线框模型。

在使用根据图1的医学成像系统100的情况下，通过X射线采集所述2D图像数据，并且所述标记是辐射不透明的。

根据所述方法的另一示范性实施例，例如，通过超声或MR采集所述2D图像数据，并且所述标记在超声图像数据或MR图像数据中是可见的，并且所述对象指示符被显示为添加到X射线图像。

根据图3中示出的示范性实施例，在配准步骤32中将3D图像与2D图像数据14配准。所述3D图像，或图像数据30，能够例如在采集步骤12之前以预先采集步骤34的形式被采集。

根据另一示范性实施例，例如由存储于存储器中的数据库来提供3D图像30。

如从图3中能够看出的，对象指示符24连同在配准步骤32中提供的经配准的3D和2D图像的图像数据36一起显示，所述一起显示由进入显示步骤32方框的箭头38指示。

根据另一示范性实施例，3D数据30是从所采集的3D图像数据提取的解剖模型，但其在图3中未进一步示出。

如上文已经提到的，对象指示符24能够包括所述对象的轮廓线的指示。

根据另一示范性实施例，所述对象是能扩展的对象，并且所述对象指示符包括：除对象定位和旋转角度之外，处于最终扩展状态中的所述对象的轮廓线的指示。

例如，在所述对象为支架的情况下，一旦所述支架被打开，就向用户提供应当在何处以及应当以何种状态布置所述支架的信息。这能够用于支架放置流程，因为打开或扩展支架的步骤是不能够逆转的。

例如，经由导管应用支架，并且支架仅有两个自由度，旋转和延导管的轴的平移。根据另一示范性实施例，所述对象是细长的对象，并根据标记的相应标号检测所述对象的扭转，并且例如与所述对象指示符相组合（未示出）来显示扭转指示符。

根据另一示范性实施例，图4中所示，在采集步骤12之前，在预先确定步骤42中预先确定所述对象的期望空间定位和旋转角度40。针对期望位置40，在计算步骤46中从所述对象的位置和旋转信息来限定、相应地计算标记的配置44。

此外，在生成步骤48中，在所述2D图像的采集步骤12期间根据系统几何结构生成计算得到的标记的配置44的投影50。之后在显示步骤52中将所生成的投影50显示为目标指示符54。

作为范例，投影50可以是2D投影。

根据另一示范性实施例，在图5中示意性描绘的，在组合步骤56中将所生成的投影50与所述2D图像叠加，由此提供增强的2D图像58。

根据另一示范性实施例，在配准步骤62中将3D图像60与2D图像数据14配准，并在组合显示步骤66中将关于期望位置的所生成的投影50连同经配准的3D和2D图像的图像数据64一起显示，由此提供进一步增强的信息图像68。

根据图7中所示的另一示范性实施例，在比较步骤70中将所识别的所述对象的实际空间定位和旋转角度20与所述对象的预先确定的空间定位和旋转角度40进行比较，从而提供矢量配准信息72。此外，根据矢量配准信息72，在生成步骤76中提供移动方向指示符74，并对其加以显示，从而方便用户对所述对象的操纵。

例如，为了操纵或移动所述对象至期望或目标位置，实际位置和旋转角度与预先确定的位置和旋转角度对齐。

根据另一示范性实施例（未示出），移动方向指示符74包括方向信号，其中，考虑了用户的空间取向，从而使所述方向信号指示用户将所述对象移动至目标方位和取向必要的运动的实际方向。

换言之，向用户提供他必须沿哪一方向对操作器进行移动以实现对象的正确定位的信息。例如，所述对象能够被放置在复杂结构体积的内部并且操作器仅能从特定的目的地或方向接触所述对象，用户的必要的移动可以是镜像的或者与显示器上所示的信息相反。在这种情况下，向用户提供的方向信号可以给予他或她在不必分析当前情况的正确空间关系的情况下如何进行移动的方向指示。

根据本发明的另一示范性实施例，提供了所述对象的自动定位。因此，提供定位数据，从而使操作装置能够将所述对象通过期望或目标旋转移动至期望或目标位置。

根据另一示范性实施例，图8中所示，在预先确定步骤42期间，其中预先确定所述对象的期望空间定位和旋转角度40，在确定步骤82中根据所述对象的预先确定的空间定位和旋转角度来确定用于采集2D图像数据的最优投影方向80。最优投影方向80之后在2D图像采集步骤12中被应用，并由进入采集步骤12的相应方框的箭头84指示。

根据另一示范性实施例，图9中所示，针对至少一个额外的定位和旋转角度85，在预先确定步骤87中预先确定额外的配置86。此外，在显示步骤90中将所述额外的配置86显示为额外的信息89。

例如，额外的配置86涉及不希望的取向和方位，并且在显示步骤52中与计算得到的配置不同地显示额外的配置86。

根据本发明另一增强的示范性实施例，在比较步骤91中将实际取向和位置，即空间定位和旋转角度20，与额外的配置86进行比较，并且如果出现预先确定的相关度，提供93警告信号92。

如上面已经指出的，所述对象可以例如是支架，所述支架能够经由导管来应用。例如，所述支架仅有两个自由度，旋转和延导管的轴的平移。

支架正在变得越来越重要；例如，如今，越来越多的血管疾病能够在X射线的引导下进行微创治疗。为了实现这一目的，已经针对不同的应用开发了越来越复杂的支架：内部具有人工心脏瓣膜的支架、具有针对分支血管的开口的支架（有孔支架）、用于分叉的分支支架、具有在动脉瘤颈部的筛绢的支架。在图11中示出了冠状动脉分支支架的范例。

与常规的支架不同，这些支架实际上不再对称，并且所述支架必须以特定的旋转角度植入。然而，由于诸如X射线成像系统的成像系统的投影性质，难以以预先确定的取向植入支架。

因此，上面描述的示范性实施例可以辅助以特定的取向植入支架。

从X射线确定支架取向的困难特别存在于支架未完全打开的情况下。例如，对于主动脉瓣支架，瓣叶在X射线图像中是根本不可见的，并且支架本身也是实际上不对称的。还在图11中示出了主动脉瓣支架的范例。

根据本发明的另一方面，上述方法步骤应当解释为与主动脉瓣支架相关的范例。然而，针对其他应用的实施例是相似的。

根据图12中示出的实施例，在计划步骤中，已经确定了支架的期望位置和取向。作为范例，这或者能够手动地完成，或者能够使用3D分割来自动地计算所述支架的最优位置和取向。从这一步，如上面提到的，能够计算所述标记的期望的3D位置。

在介入过程中，关于X射线系统的几何结构、患者的方位以及支架和其标记的期望方位的信息被用于计算目标投影点。这些目标投影点被覆盖在X射线图像上，图12A中所示，其中，所述目标投影点由小圆圈212、214和216指示。由此，向用户提供所述标记的目标位置。在图12中，支架218被示为具有三个可见标记，由参考标号220、222和224指示。如从图12A中能够看出的，仅有所述标记中的一个，即标记220，与所述目标投影点中的一个，即圆圈214，对齐。由此，向用户提供关于支架218的实际位置与目标位置间关系的信息。之后，用户能够根据从图12A中检索的信息来移动所述支架。在图12B中示出了来自旋转角度的正确调节的结果。必须注意到的是，标记220、222和224与相应的目标位置212、214和216对齐。由此，向用户提供这样的信息：支架118目前处在正确的位置以及正确的取向，即旋转角度中，并且作为下一步骤，用户能够打开所述支架，因为其已经处于其最终的，即期望位置上。在图12C中示出了打开的支架的结果。

根据上述方法的示范性实施例，也能够显示植入物，例如支架相对于目标取向的当前取向。

如从图13中能够看出的，主动脉瓣和主动脉球的横截面与插入的支架相组合地显示，由处在打开版本中的支架的模型的可视化来指示，该可视化被显示为圆圈312，其包括三条象征心脏瓣膜布置的径向线314。

在介入过程中，如上对所述标记进行跟踪。之后，X射线系统的几何结构信息、各标记相对彼此的3D位置以及关于在X射线图像中所述标记投影点的信息被用于确定所述标记的3D位置。

从这一操作，显示所述支架的当前取向能够被重建并且结果能够在3D图像中显示，如图13示范性所示的。除了支架312的实际位置，还通过所示的模型向用户提供如何将所述支架置于打开的状态的信息。对于正确的旋转，利用目标指示标志316指示期望或目标位置，例如虚线表示心脏瓣膜结构。如从图13A能够看出的，实际位置和期望位置尚未对齐，而在图13B中，在对旋转角度进行调整之后，由表示处于最终状态的支架312覆盖由目标指示符316指示的所生成的投影。由此，向用户提供支架目前处于正确的位置并且因此能够被打开的信息。当然，对于长度方向上的正确定位，其在根据图13的横截面中是不可见的，也能够例如在未进一步示出的长度横截面中向用户提供给相应的信息。

根据本发明的示范性实施例，所述标记应该被定位于所述对象的不同高度和不同角度处。如果所述标记被放置在不同高度处，它们在没有所述对象的透视缩短的视图中不会重叠，并且更容易对其进行区分。在不同角度处的放置提供了这样的优点：在2D图像中仅有两个取向能够给出所述标记的匹配。当知道哪个标记是最近的、或者当例如错误的标记被添加、或者当三个标记能够彼此区分，就能够获得匹配的唯一性。

在本发明的另一示范性实施例中，提供了计算机程序或计算机程序单元，其特点是适合在适当的系统上，执行根据一个先前的实施例的所述方法的方法步骤。

所述计算机程序单元因此可以存储在计算机单元上，其也可以是本发明的实施例的部分。这种计算单元可以适于执行或引发上述方法的步骤的执行。此外，它可以适合操作上述设备的部件。所述计算单元能够适于自动地操作，和/或执行用户的指令。计算机程序可以加载到数据处理器的工作存储器中。所述数据处理器因此可以被装配用于实施本发明的方法。本发明的这一示范性实施例涵盖了自始使用本发明的计算机程序和借助更新将现有程序转变成使用本发明的程序的计算机程序。此外，所述计算机程序单元可能能够提供全部必要步骤来实现上述方法的示范性的实施例的流程。根据本发明的另一示范性实施例，计算机可读介质，诸如提供的CDRom，其中，计算机可读介质具有存储在其上的计算机程序单元，所述计算机程序单元是在之前的部分中所描述的。

计算机程序可以存储和/或发布在合适的介质上，诸如连同其他硬件一起提供或者作为其他硬件的部分提供的光学存储介质或固态介质，但也可以以其他形式进行发布，诸如经由互联网或者其他有线或无线远程通信系统。

然而，所述计算机程序也可以通过像万维网的网络来提供，并且能够从这样的网络被下载到数据处理器的工作存储器中。根据本发明的另一示范性实施例，提供了使计算机程序单元可供下载的介质，在该介质上布置计算机程序单元以执行根据之前所述的本发明的实施例之一的方法。

必须注意到的是，本发明的实施例是参考不同的主题来描述的。具体而言，一些实施例是参考方法类型的权利要求来描述的，而其他实施例是参考装置类型的权利要求来描述的。然而，本领域技术人员将会从上述和下述内容中总结得出，除非另外告知，除了属于一类主题特征的任意组合之外，关于不同主题之间的任意组合也被认为在此申请中公开了。然而，所有特征能够被组合以提供超过各特征简单叠加的协同效应。

在权利要求书中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。单个处理器或其他单元可以完成权利要求书中列举的若干个项目的功能。事实上，在互相不同的从属权利要求中列举的特定措施并不指示不能够使用这些措施的组合以获益。权利要求书中的任何参考标记都不应被解释为对范围构成限制。

Claims (13)

1.一种医学成像系统（100），包括：

图像采集器件（110）；

数据处理单元（112）；以及

显示器（114）。

其中，所述采集器件（110）适于采集对象的2D图像数据，其中，向所述对象提供在所述2D图像中可见的至少三个标记；

其中，所述数据处理单元（112）适于在所述2D图像中检测所述标记；并根据所述标记识别所述对象相对于系统几何结构的空间定位和旋转角度；并且

其中，所述显示器（114）适合显示指示所述对象的所述空间定位和旋转角度的对象指示符。

2.一种用于操作医学图像系统的方法，包括如下步骤：

a）利用成像系统（100）采集（12）对象（126；218）的2D图像数据（14）；其中，向所述对象提供在所述2D图像中可见的至少三个标记（220、222、224）；

b）在所述2D图像中检测（16）所述标记；

c）根据所述标记识别（18）所述对象相对于系统几何结构的空间定位和旋转角度（20）；

d）显示（22）指示所述对象的所述空间定位和旋转角度的对象指示符（24）。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，通过X射线采集所述2D图像数据，并且其中，所述标记是辐射不透明的；

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，3D图像（30）与所述2D图像数据配准（32），并且其中，所述对象指示符连同经配准的3D和2D图像的图像数据（36）一起显示。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述3D图像数据是从所采集的3D图像数据中提取的解剖模型。

6.根据权利要求2到5中的一项所述的方法，其中，所述对象是细长对象，并且其中，检测所述对象的扭转，并且其中，显示扭转指示符。

7.根据权利要求2到6中的一项所述的方法，其中，在步骤a）之前，预先确定（42）所述对象的期望空间定位和旋转角度（40），并且其中，计算（46）针对期望位置的所述标记的配置（44）；

其中，在步骤a）中在所述2D图像的所述采集期间根据所述系统几何结构生成计算得到的标记配置的投影（50）；并且

其中，所生成的投影被显示（52）为目标指示符（54）。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所生成的投影（50）被覆盖（56）在所述2D图像（14）之上。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所识别的所述对象的实际空间定位和旋转角度（20）与所述对象的预先确定的期望空间定位和旋转角度（40）相比较（72），并且其中，提供（76）移动方向指示符（74），从而方便操纵所述对象。

10.根据权利要求7到9中的一项所述的方法，其中，根据所述对象的所述预先确定的期望空间定位和旋转角度（40）来确定（82）用于采集2D图像数据的最优投影方向（80）；并且其中，在步骤a）（12）期间应用（48）所述最优投影方向（80）。

11.根据权利要求7到10中的一项所述的方法，其中，针对至少一个额外的定位和旋转角度（84）预先确定（88）额外的配置（86）；并且其中，显示（90）所述额外的配置。

12.一种用于控制根据权利要求1所述的设备的计算机程序单元，所述计算机程序单元当由处理单元运行时，适合执行根据权利要求2到11中的一项所述的方法的步骤。

13.一种存储有根据权利要求12所述的程序单元的计算机可读介质。

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